Основы материаловедения и ТКМ

плотностью 3,2 г/см3. Применяется для деталей двигателей внутреннего сгорания.

Бориды тугоплавких металлов (TiB2, ZrB2) характеризуются высокой твердостью, износостойкостью, обладают металлическими свойствами, очень высокой температурой плавления. Их используют в качестве износостойких и защитных покрытий. ZrB2 используют для изготовления термопар, работающих в среде расплавленных металлов.

Одним из основных недостатков керамики является ее хрупкость, так как для распространения трещины в керамическом материале расходуется энергии в тысячу раз меньше, чем в металлах. Снижения хрупкости добиваются путем введением в состав диоксида циркония, армирования керамики волокнами из хрома, никеля, ниобия, вольфрама. Применяется также специальная технология формирования в структуре микротрещин (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Схема упрочнения конструкционной керамики включениями ZrO2 (а), волокнами (б) и мелкими трещинами (в): 1 – тетрагональный ZrO2;

2 – моноклинный ZrO2

Первый способ основан на том, что в диоксиде циркония ZrO2 под давлением происходит полиморфное превращение тетрагональной кристаллической структуры в моноклинную, имеющую на 3-5% больший объем. Расширяясь, зерна ZrO2 сжимают трещину, и она теряет способность к распространению. Второй способ состоит в создании композиционного материала. Введенные в керамику волокна встречают распространяющуюся трещину и останавливают ее рост. Третий способ состоит в том, что с помощью специальных технологий весь керамический материал пронизывают микротрещинами. При встрече основной трещины с микротрещиной угол в острие трещины возрастает, происходит затупление трещины, и она дальше не распространяется.

Керамика в двигателях. Конструкционная керамика допускает применение более высоких температур по сравнению с металлом и поэтому является перспективным материалом для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей. Помимо более высокого КПД двигателей за счет повышения рабочей температуры преимуществом керамики является низкая плотность и теплопроводность, повышенная термо- и износостойкость. Кроме того, при ее использовании снижаются или отпадают расходы на систему охлаждения.

Вместе с тем следует отметить, что в технологии изготовления керамических двигателей остается ряд нерешенных проблем. К ним, прежде всего, относятся проблемы обеспечения надежности, стойкости к термическим ударам, разработки методов соединения керамических деталей с металлическими и пластмассовыми.

Наиболее эффективно применение керамики для изготовления дизельных адиабатных поршневых двигателей, имеющих керамическую изоляцию, и высокотемпературных газотурбинных двигателей. Компания «Cammin Engine» (США) освоила производство двигателя грузовика с плазменными покрытиями из ZrО2, нанесенными на днище поршня, внутреннюю поверхность цилиндра, впускные и выпускные каналы. Экономия топлива на 100 км пути составила более 30 %.

Фирма «Isuzu» (Япония) сообщила об успешной разработке керамического двигателя, работающего на бензине и дизельном топливе (рис. 5.12). Двигатель развивает скорость до

150 км/ч, коэффициент полноты сгорания топлива на 30-50 % выше, чем у обычных двигателей, а масса на 30 % меньше.

Режущий керамический инструмент. Режущая керамика характеризуется высокой твердостью, в том числе при нагреве, износостойкостью, химической инертностью к большинству металлов в процессе резания. По комплексу этих свойств керамика существенно превосходит традиционные режущие материалы – быстрорежущие стали и твердые сплавы.

Для изготовления режущего инструмента применяют керамику на основе оксида циркония, карбидов и нитридов титана, а также нитрида бора и нитрида кремния.

Режущие керамические пластины используются для оснащения различных фрез, токарных резцов, специальных инструментов.

5.3. Композиционные материалы

Основным классом материалов, удовлетворяющим таким жестким, часто противоречащим друг другу требованиям, как обеспечение минимальной массы конструкции, максимальной прочности, жесткости, надежности и долговечности при работе в тяжелых условиях нагружения, в том числе при высоких температурах и в агрессивных средах, являются композиционные материалы (композиты).

Композиты эффективно конкурируют с такими конструкционными материалами, как алюминий, титан, сталь. К отраслям, активно использующим композиционные материалы и являющимся заказчиками для разработки и производства новых материалов и изделий из них, относятся авиация, космонавтика, наземный транспорт, химическое машиностроение, медицина. Композиты используются для производства автомобилей, объектов железнодорожного транспорта, самолетов, ракет, судов, подводных лодок, трубопроводов, стволов артиллерийских орудий. Материалы, разработка которых первоначально осуществлялась по заказам военных ведомств, внедрены во многих отраслях гражданской промышленности.

Как правило, стоимость композиционных материалов очень высока, что связано со сложностью технологических процессов их производства, высокой ценой используемых компонентов. Однако следует подчеркнуть возможность экономии при производстве сложных конструкций за счет уменьшения количества технологических разъемов, уменьшения количества деталей, сокращения числа сборочных операций. Трудоемкость производства изделий из композиционных материалов можно снизить в 1,5-2 раза по сравнению с металлическими аналогами.

Композиты представляют собой гетерофазные системы, состоящие из двух и более разнородных компонентов, имеющих границы раздела между ними. Компонент, непрерывный по всему объему материала, обеспечивающий его монолитность, называется матрицей или связующим. Компоненты, распределенные в матрице, называются

наполнителями.

Вкачестве дисперсных наполнителей широкое применение получили: сульфатная целлюлоза, графит, диоксид кремния, силикаты алюминия, кальция, магния, порошки металлов и сплавов. Некоторые металлические наполнители придают композитам специфические свойства. Например, железо и его сплавы – ферромагнитные; чешуйки алюминия, никеля, серебра – низкую газо- и паропроницаемость; свинца, кадмия, вольфрама – защитную способность при воздействии излучений высоких энергий. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы с равномерно распределенным в объеме материала наполнителем обладают изотропностью свойств, т.е. одинаковыми свойствами во всех направлениях.

Вкомпозиционных материалах волокнистыми наполнителями

служат углеродные, борные, синтетические, стеклянные и др. волокна, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений (карбида кремния, оксида алюминия и др.) или металлическая проволока (стальная, вольфрамовая и др.). Упрочненные волокнами материалы анизотропны, кроме случая хаотического расположения волокон. Упрочняющий эффект при наполнении волокнами диаметром 3...12 мкм сказывается уже при их длине, равной 2...4 мм, благодаря взаимному переплетению и снижению напряжений в связующем. С увеличением длины волокон увеличиваются прочность и ударная вязкость. Свойства материала зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Для металлических композиционных материалов прочная связь между волокном и матрицей достигается благодаря их взаимодействию. Связь между компонентами в композиционных материалах на неметаллической основе осуществляется с помощью адгезии.

Из слоистых наполнителей применяются: бумага (для получения гетинакса); стеклоткань, углеграфитная ткань (в различного рода текстолитах). Встречаются композиты, в которых слоистым наполнителем являются алюминиевые, титановые, медные, никелевые и кобальтовые листы и фольги, а слоями, определяющими специальные свойства и применение, – керамика, интерметаллидные соединения или другие металлы. Слоистые материалы отличаются анизотропией свойств – имеют высокую прочность при растяжении вдоль слоев армирующего наполнителя и низкую в перпендикулярном направлении. Этот недостаток отсутствует у объемно-армированных материалов.

Объемно-армированные материалы имеют сложное строение с различным расположением наполнителей. Наполнителями служат те же материалы, что и в волокнистых композитах.

Существуют полиматричные и полиармированные композиционные материалы. Полиматричные материалы имеют комбинированные матрицы, состоящие из чередующихся слоев матриц с различным химическим составом. Полиармированные материалы имеют одновременно упрочнители различной формы или одной формы, но разного химического состава. Например, полимерная матрица с дисперсным и волокнистым упрочнителем или полимерная матрица, упрочненная одновременно двумя видами волокон.

Различные сочетания матричного материала и наполнителя позволяют получать гибридные композиты с широким диапазоном характеристик, чего невозможно достичь на металлах и сплавах. Композиты выгодно отличаются от металлических сплавов своими удельными характеристиками: удельной прочностью σв/ρ и удельным модулем упругости Е/ρ (рис. 5.14).

Рис. 5.14. Удельные характеристики композитов (ρ – плотность материала)

Композиты на основе полимерной матрицы обеспечивают работоспособность изделий при температурах до 200 °С, металлокомпозиты на основе алюминия и магния, армированные углеродными, борными и другими волокнами – до 400...500 °С. Более высокие допустимые температуры имеют композиты на основе титана и никеля. Керамические композиты на основе карбидов или нитридов кремния могут работать при температурах до 2000 °С.

Особенностью композитов является удачное сочетание высокой прочности с низкой плотностью и высокой химической стойкостью.

Кроме того, в композитах зачастую в 10... 100 раз ниже скорость распространения усталостных трещин, что обеспечивает большую долговечность изделий.

Рассмотрим лишь некоторые композиты применяемые в промышленности.

Спеченная алюминиевая пудра (САП) является характерным представителем дисперсноупрочненных композиционных материалов. САП состоит из алюминиевой матрицы, упрочненной дисперсными частицами оксида алюминия. Алюминиевый порошок получают распылением расплавленного металла с последующим измельчением в шаровых мельницах до размера около 1 мкм в присутствии кислорода. С увеличением длительности помола пудра становится мельче, и в ней повышается содержание оксида алюминия. Дальнейшая технология производства изделий и полуфабрикатов из САП включает холодное прессование, предварительное спекание, горячее прессование, прокатку или выдавливание спеченной алюминиевой заготовки в форме готовых изделий, которые можно подвергать дополнительной термической обработке.

Сплавы типа САП удовлетворительно деформируются в горячем состоянии, а сплавы с 6-9 % А12О3 – и при комнатной температуре. Из них холодным волочением можно получить фольгу толщиной до 0,03 мм. Эти материалы хорошо обрабатываются резанием и обладают высокой коррозионной стойкостью. Марки САП, применяемые в России, содержат 6—23 % А12О3. Различают САП-1 с содержанием 6-9 %, САП-2 с 9-13 % и САП-3 с 13-18 % А12О3. С увеличением содержания А12О3 повышаются прочность, твердость, жаропрочность САП, но уменьшается пластичность. Высокая прочность САП обусловлена большой дисперсностью оксидной фазы, малым расстоянием между ее частицами – механизм упрочнения дисперсными частицами. Нерастворимость в алюминии и отсутствие склонности к коагуляции мелкодисперсных частиц А12О3 обеспечивает стабильность и высокую прочность при температурах до 500 °С. Даже при температуре 500 °С они имеют σв не менее 60-110 МПа.

Сплавы типа САП применяют в авиационной технике для изготовления деталей с высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, работающих при температурах до 300-500 °С. Из них изготавливают штоки поршней, лопатки компрессоров, оболочки тепловыделяющих элементов и трубы теплообменников.

Твердые сплавы. Металлокерамическими твердыми сплавами называют смесь порошков тугоплавких соединений (керамическая составляющая) и металла (металлическая составляющая),

линейного расширения и содержат до 60 об. % углеродных волокон. Углепластики используются как конструкционные материалы в

авиакосмической технике, автомобилестроении, судостроении, машиностроении, медицинской технике (рис. 5.15). Однако при конструировании изделий из волокнистых углепластиков необходимо обеспечить преимущественную ориентацию армирующих волокон в направлении действия максимальных нагрузок.

Композиционные материалы с никелевой матрицей используются в качестве жаропрочных. При этом главная задача их создания – повышение рабочей температуры до 1000-1200 °С. В качестве наполнителя могут быть использованы как мелкодисперсные порошки, так и волокна. В качестве упрочняющей фазы в дисперсно-упрочненном композиционном материале на основе никеля и его сплавов используются диоксиды тория ThO2 и диоксиды гафния HfO2. Оксид тория ThO2 в количестве до 2 % наиболее эффективен для упрочнения никеля и нихрома (композит ВДУ-1, ТД-никель, DS-никель, TDнихром). Из-за токсичности оксида тория его часто заменяют оксидом гафния HfO2 в композите ВДУ-2 (98% Ni, 2% HfO2), что приводит к существенному снижению жаропрочности. Композиты на основе никеля предназначены в основном для работы при температурах выше 1000 °С. Характеристики длительной прочности при этих температурах выше у композитов с матрицей из нелегированного никеля, однако при